一阶液位对象
PID调节在液位控制上的应用
PID调节在液位控制上的应用摘要：现如今，大部分的过程控制系统仍采用PID控制策略，这是因为这种控制具有直观、实现简易和鲁棒性能良好等一系列优点。
液位控制系统是过程控制的重要研究模型，对液位控制系统的研究具有显著的理论和实际意义。
本文主要就是针对PID调节在液位控制上的应用来进行分析。
关键词：液位控制；PID调节；应用1、智能PID控制系统设计本控制系统属于计算机监督控制系统(SCC)。
计算机通过对液位控制系统中的控制对象离散采样，运用智能PID控制算法控制执行机构输出，从而实现对液位系统的恒定液位控制。
在工业控制对象中，液位系统是典型的一阶系统，时间常数比较大，有一定时延。
为此系统采用智能PID控制策略，改善系统的动态响应过程。
并使用Microsoft Visual C++及MFC类库编写了运行于Win-dovesNT/2000下的Win32控制程序。
软件的标准化体现在模块化的设计，符合工业标准的人机界面以及良好的代码可扩充性、可重用性。
1.1、液位控制系统组成图1液位控制系统结构框图图1为液位控制系统结构框图，系统采用闭环控制方案。
系统之中的A/D 采集卡将实际输出液位离散采样处理，反馈至输入端。
数字调节器采用智能PID 算法，输出离散控制信号，经过D/A发送卡采样保持，转换成为模拟控制电平信号，以控制执行机构(变频器和水泵)输出，控制对象在执行机构的控制下输出实际液位。
系统控制程序是使用Visual C++程序设计工具和Advantech设备库函数，自行设计制作的一款控制程序。
Advantech Devic Manager是研华公司提供的设备管理软件，用于研华系列设备的驱动加载，逻辑设备建立，设备在线测试及用户程序接口提供。
1.2、智能PID控制算法在液位控制系统中，由于液位具有大滞后、出水阀口的非线性、数学模型难以准确建立等特点，而常规的PID算法控制易出现较大的超调，系统的动态性能也较差，难以获得满意的控制效果。
(完整word版)三容水箱液位控制系统的PID
目录目录 (1)摘要 (3)第一章概论 (5)1.1 课题来源 (5)1.2 水箱控制策略的研究 (5)1。
3 本文研究课题 (6)第二章三容水箱系统简介及数学模型 (7)2。
1 三容水箱系统的总体结构及工作原理 (7)2。
1。
1 三容水箱试验系统的总体结构 (7)2。
1。
2 三容水箱试验台控制结构的组成 (8)2.1。
3 单入单出一阶对象的结构 (9)2.2 三容水箱系统的特点 (10)2。
3 实验建模法推导三容水箱系统的数学模型 (10)2。
4 系统的性能分析 (12)2。
5 本章小结 (15)第三章基于三容水箱系统的PID控制算法研究 (15)3。
1 PID控制原理简介 (15)3。
2 基于Z—N的算法实现 (17)3。
2。
1 数字PID控制算法简介 (17)3。
2。
2 积分分离PID控制算法 (18)3。
2.3 基于Z—N整定法的Kp、Ki、Kd控制参数整定 (20)3.3 基于遗传算法的PID控制的设计 (23)3。
3.1 遗传算法简介 (23)3。
3.2 基于遗传算法PID参数整定的算法设计 (25)3。
4 适应度目标函数讨论 (31)3。
5 基于自适应遗传算法改进的PID参数整定 (32)3.5.1 自适应遗传算法 (32)3。
5。
2 基于自适应遗传算法求解最优化模型 (34)3.6 基于自适应遗传算法的改进 (36)3.7 本章小结 (38)第四章总结 (38)4.1 结论 (38)4.2 后续工作 (39)参考文献 (39)致谢 (40)附录1 常规遗传算法PID整定程序 (41)附录2 计算目标函数值的子程序chap5-3f.m (48)附录3 基于自适应遗传算法的PID整定程序 (50)附录4 快速仿真曲线程序 (56)摘要我们知道三容水箱系统是工业过程控制中许多被控对象的典型抽象模型，在非线性、大惯性过程控制研究应用中具有广泛代表性.近年来国内外许多学者对三容水箱系统的建模方法、控制算法及故障诊断等方面进行了探讨。
自动控制原理第二章复习总结（第二版）
⾃动控制原理第⼆章复习总结（第⼆版）第⼆章过程装备控制基础本章内容：简单过程控制系统的设计复杂控制系统的结构、特点及应⽤。
第⼀节被控对象的特性⼀、被控对象的数学描述（⼀）单容液位对象1．有⾃衡特性的单容对象2．⽆⾃衡特性的单容对象（⼆）双容液位对象1．典型结构：双容⽔槽如图2-5所⽰。
图2-5 双容液位对象图2-6 ⼆阶对象特性曲线2．平衡关系：⽔槽1的动态平衡关系为：3．⼆阶被控对象：1222122221)(Q K h dt dh T T dt h d T T ?=+++式（2-18）就是描述图2-5所⽰双容⽔槽被控对象的⼆阶微分⽅程式。
称⼆阶被控对象。
⼆、被控对象的特性参数（⼀）放⼤系数K（⼜称静态增益）（⼆）时间常数T（三）滞后时间τ（1）．传递滞后τ0（或纯滞后）：（2）．容量滞后τc可知τ=τ0+τc。
三、对象特性的实验测定对象特性的求取⽅法通常有两种：1．数学⽅法2．实验测定法（⼀）响应曲线法：（⼆）脉冲响应法第⼆节单回路控制系统定义：（⼜称简单控制系统），是指由⼀个被控对象、⼀个检测元件及变送器、⼀个调节器和⼀个执⾏器所构成的闭合系统。
⼀、单回路控制系统的设计设计步骤：1．了解被控对象2．了解被控对象的动静态特性及⼯艺过程、设备等3．确定控制⽅案4．整定调节器的参数（⼀）被控变量的选择（⼆）操纵变量的选择（三）检测变送环节的影响（四）执⾏器的影响⼆、调节器的调节规律1．概念调节器的输出信号随输⼊信号变化的规律。
2．类型位式、⽐例、积分、微分。
（⼀）位式调节规律1．双位调节2．具有中间区的双位调节3．其他三位或更多位的调节。
（⼆）⽐例调节规律（P ）1．⽐例放⼤倍数（K ）2．⽐例度δ3．⽐例度对过渡过程的影响（如图2-24所⽰）4．调节作⽤⽐例调节能较为迅速地克服⼲扰的影响，使系统很快地稳定下来。
通常适⽤于⼲扰少扰动幅度⼩、符合变化不⼤、滞后较⼩或者控制精度要求不⾼的场合。
（三）⽐例积分调节规律（PI ）1．积分调节规律（I ）（1）概念：调节器输出信号的变化量与输⼊偏差的积分成正⽐==?t I t I dt t e T dt t e K t u 00)(1)()(式中：K I 为积分速度，T I 为积分时间。
自动控制原理
第1章自动控制的一般概念例1-1一个液位控制系统的原理图如图1.4所以。
试画出该控制系统的原理方框图，简要说明它的工作原理，并指出该控制系统的输入量，输出量及扰动量。
答：本题考查液位控制系统。
当系统的工作原理为：浮标位置对应于电位计上一点，该点电压与设定液位对应的电压进行比较，如果没有达到设定的液位，将产生偏差电压，功率放大后驱动直流电动机转动，调节输入液流的阀门，改变进入水池的水流量，当输出液流发生改变，液面发生变化时，重复上述过程，使液面保持在给定高度。
该系统的输入量为给定液位，输出量为实际水位，扰动量为输出液流量，系统原理方框图如图1.5习题：1、什么是反馈控制原理？反馈控制系统的主要特点是什么？2、试比较闭环系统与开环系统的优缺点。
3、水箱液位控制系统如图1.9所示。
运行中无论用水流量如何变化（由开关12操纵），希望水面高度（液位）H保持不变。
（1）简述工作原理。
（2）画出系统的原理方块图，并指明被控对象、被控量、给定值和干扰。
4、图1.13为水温控制示意图。
冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热，从而得到一定温度的热 水。
冷水流量变化用流量计测量。
试绘制系统方块图，并说明为了保持热水温度为期望值，系 统是如何工作的？系统的被控对象和控制装置是什么？第2章 控制系统的数学模型例2-1如图2.1所示的RLC 电路，试建立以电容上电压u c (t)为输出变量，输入电压u i (t)为输入 量的运动方程。
图2.1 答：由基尔霍夫定律得：消去中间变量，则有 例2-2图2.2所示是弹簧—质量—阻尼器机械位移系统。
试列写质量m 在外力F （t ） 作用下，位移x(t)的运动方程。
答：ƒ—阻尼系数；k —弹性系数。
根据牛顿第二定律i (t )R +ldi(t)dt+u c (t )=u i (t) u c (t )=1C ∫i (t )dt ，即i (t )=C du c (t)dtLC d 2u c (t)dt 2+RC du c (t)dt+u c (t )=u i (t)c )U r (s )。
一阶控制系统的概念
一阶控制系统是自动控制理论中的重要概念，它在工程实践和学术研究中具有广泛的应用。
一阶控制系统指的是系统的传递函数中包含一个一阶惯性环节的控制系统。
在控制系统理论中，一阶控制系统通常用于描述简单的动态行为，对于理解和分析动态系统具有重要意义。
下面将从一阶控制系统的定义、特点、数学模型以及在工程中的应用等方面进行详细介绍。
一、一阶控制系统的定义一阶控制系统是指系统的传递函数中包含一个一阶惯性环节的控制系统。
一阶惯性环节通常由一个惯性元件和一个比例增益组成，典型的一阶惯性环节可以表示为\[G(s) = \frac{K}{Ts+1}\]，其中K为系统的增益，T为时间常数。
一阶控制系统的特点是其传递函数中只包含一个一次项，因此在频域和时域响应上表现出特定的动态特性。
二、一阶控制系统的特点1. 简单性：一阶控制系统的数学描述相对简单，通常只包含一个一次项，便于分析和设计。
2. 惯性特性：一阶控制系统的响应受到惯性元件的影响，具有惯性特性，对输入信号的变化有一定的滞后效应。
3. 稳态误差：对于一阶控制系统，在单位阶跃输入信号的情况下，会存在稳态误差，需要通过增加系统增益或者采用补偿措施进行调节。
4. 动态响应：在单位阶跃输入信号的作用下，一阶控制系统的动态响应呈现指数衰减的特点，具有一定的时间常数。
三、一阶控制系统的数学模型一阶控制系统的数学模型可以通过传递函数来描述，其一般形式为\[G(s) = \frac{K}{Ts+1}\]。
其中K为系统的增益，T为系统的时间常数，s为复变量。
传递函数描述了系统的输入与输出之间的关系，通过传递函数可以分析系统的频域特性、稳定性以及动态响应等信息。
通过对一阶控制系统的传递函数进行频域分析，可以得到系统的幅频特性和相频特性。
幅频特性描述了系统对不同频率输入信号的响应情况，而相频特性则描述了系统对不同频率输入信号的相位变化情况。
这些信息对于系统的稳定性和性能评价具有重要意义。
化工仪表及自动化第二章调节对象的特性
由体积守恒可得：
(Q1-Q2)dt =Adh
其中：Q2 h/Rs
RS——局部阻力项
Q
由此可得：
2
RS Q1=h+A Rs (dh/dt)
或:
K Q1 =h+T(dh/dt)
（一阶常系数微分方程式）
示例二：积分对象QFra bibliotek1h
由体积守恒可得：
(Q1-Q2)dt=Adh 其中：Q2=C
C——常数
Q
由此可得：
1. 实验应在其它条件相对相对稳定时进行； 2. 条件变化与结果记录应同时进行，以便分析滞后时
间； 3. 实验结果的记录应持续到输出量达到稳定态为止； 4. 尽可能增加实验点数，必要时可进行重复实验，以
提高精度； 5. 对实验数据中的奇异点，要认真分析，尽量排除。 6. 注意实验中的异常变化，必要时做好预防措施，以
优点：结果比较准确。缺点：时间长，代价大。
• 阶跃反应曲线法 – 通过调节量的一个阶跃变化寻找对象的动态特性。
优点：简单易行。 缺点：精度低。
• 周期脉冲法 通过调节量的周期变化（矩形波或正弦变化），获取 对象的动、静态特性。
优点：能反应条件波动时的结果。缺点：不能用于大滞后系统。
对象特性实验注意事项
策安全。
三、滞后时间
滞后时间 —— 在输入参数变化后，有的输出
参数不能立即发生变化，而需要等待一段时间
才开始产生明显变化，这个时间间隔称为 。
根据滞后性质的不同，可分为两类：
1.传递滞后0： 滞后期内无变化——新参数的作用
结果还没有传递到输出点；
2.容量滞后h：滞后期内逐步产生微弱变化——新
参数的作用结果受到容积量的缓冲。
杭电《过程控制系统》实验报告分析解析
实验时间：5月25号序号：杭州电子科技大学自动化学院实验报告课程名称：自动化仪表与过程控制实验名称：一阶单容上水箱对象特性测试实验实验名称：上水箱液位PID整定实验实验名称：上水箱下水箱液位串级控制实验指导教师：尚群立学生姓名：俞超栋学生学号：09061821实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验一．实验目的（1）熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
（2）根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。
二．实验设备AE2000型过程控制实验装置， PC 机，DCS 控制系统与监控软件。
三、系统结构框图单容水箱如图1-1所示：丹麦泵电动调节阀V1DCS控制系统手动输出hV2Q1Q2图1-1、 单容水箱系统结构图四、实验原理阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号），同时记录对象的输出数据或阶跃响应曲线。
然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。
图解法是确定模型参数的一种实用方法。
不同的模型结构，有不同的图解方法。
单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。
如图1-1所示，设水箱的进水量为Q 1，出水量为Q 2，水箱的液面高度为h ，出水阀V 2固定于某一开度值。
根据物料动态平衡的关系，求得：在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：h1( t ) h1(∞ ) 0.63h1(∞)0 T式中，T 为水箱的时间常数（注意：阀V 2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R 2*C ，K=R 2为单容对象的放大倍数，R 1、R 2分别为V 1、V 2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。
令输入流量Q 1 的阶跃变化量为R 0，其拉氏变换式为Q 1（S ）=R O /S ，R O 为常量，则输出液位高度的拉氏变换式为：当t=T 时，则有：h(T)=KR 0(1-e -1)=0.632KR 0=0.632h(∞) 即 h(t)=KR 0(1-e-t/T)当t —>∞时，h （∞）=KR 0，因而有 K=h （∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入式（1-2）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图1-2所示。
过程装备控制
2.过程装备控制的主要参数：温度、压力、流量、液位（或物位）、成分和物性等.3.流程工业四大参数：温度、压力、流量、液位（或物位）4.控制系统的组成:(1)被控对象(2)测量元件和变送器(3)调节器(4)执行器5.控制系统各参量及其作用:1.被控变量y 指需要控制的工艺参数，它是被控对象的输出信号 2.给定值（或设定值) ys 对应于生产过程中被控变量的期望值3.测量值ym 由检测元件得到的被控变量的实际值4.操纵变量（或控制变量）m 受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，它是调节阀的输出信号5.干扰（或外界扰动）f 引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素6.偏差信号e 在理论上应该是被控变量的实际值与给定值之差7.控制信号u 控制器将偏差按一定规律计算得到的量。
6.控制系统的分类：（1）按给定值a定值控制系统；b随动控制系统；c程序控制系统（2）按输出信号的影响a闭环控制；b开环控制（3）按系统克服干扰的方式a反馈控制系统；b前馈控制系统；c前馈-反馈控制系统7. 控制系统过度过程定义：从被控对象受到干扰作用使被控变量偏离给定值时起，调节器开始发挥作用，使被控变量回复到给定值附近范围内，然而这一回复并不是瞬间完成的，而是要经历一个过程，这个过程就是控制系统的过渡过程。
8.阶跃干扰下过渡过程的基本形式及其使用特点：（1）发散振荡过程：这是一种不稳定的过渡过程，因此要尽量避免（2）等幅振荡过程：被控变量在某稳定值附近振荡，而振荡幅度恒定不变，这意味着系统在受到阶跃干扰作用后，就不能再稳定下来，一般不采用（3）衰减振荡过程：被控变量在稳定值附近上下波动，经过两三个周期就稳定下来，这是一种稳定的过渡过程（4）非振荡的过渡过程：是一个稳定的过渡过程，但与衰减振荡相比，其回复到平衡状态的速度慢，时间长，一般不采用。
9.评价控制系统的性能指标：（1）以阶跃响应曲线形式表示的质量指标: A.最大偏差A（或超调量σ）B.衰减比n C. 过渡时间ts D.余差e E.振荡周期T （2）偏差积分性能指标: A.平方误差积分指标（ISE）B.时间乘平方误差积分指标（ITSE）C.绝对误差积分指标（IAE）D.时间乘绝对误差积分指标（ITAE）10.被控对象特性的定义：就是当被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间的变化规律（包括变化的大小，速度等）。
水箱液位基于PID调节控制
过程控制系统与仪表课程设计报告设计题目：基于单片机的一阶水箱液位控制学生姓名：设计时间：2014年5 月摘要本文介绍了一阶水箱控制过程的设计方案，主要设计了一个基于51单片机的液体转移监控装置，通过建立控制对象的数学模型，完成系统PID参数整定，达到液位控制效果，并通过外设界面实时显示液位高度。
控制对象是一单容储液箱重量控制过程，其具有自衡特性，便于传递函数建模，通过Matlab上的simulink仿真工具进行PID仿真测试，确定理论控制参数；在硬件方面，装置以升级版51芯片STC125A60S2为主控，运用了矩阵键盘作为输入设备，LCD1602为显示设备，4块电阻应变片组成的全桥测量电路作为传感检测设备，以及通过PWM控制LM298电机驱动模块实现水泵输出量可调。
本文从系统方案选择与论证，硬件电路设计和系统软件等方面介绍了基于单片机的液位测量监控系统的设计过程，最终实现了液位的实时测量与显示。
最后，本文总结了设计过程中出现的问题及解决方法，简要叙述了所获数据的处理方法，引出了进一步设计开发的思路。
关键词：传感器测量电路PID控制AD转换电机控制目录摘要 (2)一、设计题目 (4)二、设计报告正文 (6)2.1设计思路及总体方案 (6)2.1.1 设计思路 (6)2.1.2 系统控制总体方案 (6)2.2 过程控制建模系统框图 (6)2.2.1 系统的结构框图 (6)2.2.2被控对象解析 (7)2.2.3传递函数参数的确立 (8)2.2.4一阶环节的阶跃响应特性及惯性环节的参数确定 (9)实际参数本该由实际装置取样,通过上述方法得到,但本设计我们未制作实物,故只能参考其他设计取如下值 (9)2.2.5 Simulink仿真及PID参数整定 (9)2.2.6经验法测定PID参数 (11)2.3 硬件电路设计 (11)2.3.1 硬件设计总体方案 (12)2.3.2 51单片机最小系统硬件设计 (12)2.3.3按键设计 (14)2.3.4显示单元硬件设计 (14)2.3.5传感检测模块设计 (15)2.3.6 A/D转换单元硬件设计 (16)2.3.7电机驱动硬件设计 (16)2.3.8 通信模块设计 (17)2.3.9 原理图 (18)2.4 程序设计 (18)2.4.1 程序流程 (18)2.4.2 PID控制器 (19)2.4.3 矩阵扫描程序 (20)2.4.4 LCD1602显示程序 (20)2.4.5 AD采集程序 (21)2.4.6 PWM电机驱动程序 (23)三、结果分析 (23)四、设计总结 (25)参考文献 (25)一、设计题目设计并制作一个液体转移监控装置，示意图如下图所示：图 1 设计示意图放置两个盛水容器，分别为A容器和B容器，A容器盛有足量的水，B容器为空，底部中心挖一个出水圆孔。
自动控制原理课后习题答案
第一章引论1-1 试描述自动控制系统基本组成，并比较开环控制系统和闭环控制系统的特点。
答：自动控制系统一般都是反馈控制系统，主要由控制装置、被控部分、测量元件组成。
控制装置是由具有一定职能的各种基本元件组成的，按其职能分，主要有给定元件、比较元件、校正元件和放大元件。
如下图所示为自动控制系统的基本组成。
开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺向作用，而没有反向联系的控制过程。
此时，系统构成没有传感器对输出信号的检测部分。
开环控制的特点是：输出不影响输入，结构简单，通常容易实现；系统的精度与组成的元器件精度密切相关；系统的稳定性不是主要问题；系统的控制精度取决于系统事先的调整精度，对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。
闭环控制的特点是：输出影响输入，即通过传感器检测输出信号，然后将此信号与输入信号比较，再将其偏差送入控制器，所以能削弱或抑制干扰；可由低精度元件组成高精度系统。
闭环系统与开环系统比较的关键，是在于其结构有无反馈环节。
1-2 请说明自动控制系统的基本性能要求。
答：自动控制系统的基本要求概括来讲，就是要求系统具有稳定性、快速性和准确性。
稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。
稳定性通常由系统的结构决定与外界因素无关。
对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值（例如恒温控制系统）。
对随动系统，被控制量始终跟踪参量的变化（例如炮轰飞机装置）。
快速性是对过渡过程的形式和快慢提出要求，因此快速性一般也称为动态特性。
在系统稳定的前提下，希望过渡过程进行得越快越好，但如果要求过渡过程时间很短，可能使动态误差过大，合理的设计应该兼顾这两方面的要求。
准确性用稳态误差来衡量。
在给定输入信号作用下，当系统达到稳态后，其实际输出与所期望的输出之差叫做给定稳态误差。
显然，这种误差越小，表示系统的精度越高，准确性越好。
当准确性与快速性有矛盾时，应兼顾这两方面的要求。